西华大学课程设计.doc

课 程 设 计 说 明 书

课程设计说明书

课 程 名 称:产品结构原理课程设计
课 程 代 码:
题 目:变速箱反求设计
学院(直属系) :机械工程与自动化学院
年级/专业/班:
学 生 姓 名:
学 号:

目 录
摘要 2
引言 2
一、任务分析 3
二、微型汽车变速箱功能分析 3
2．1 微型汽车变速器的功能 3
2．2 微型汽车变速器的位置 3
2．3 功率的传递 3
2．4 变速和保证变速的顺利进行的实现 3
2．5 各个档位的换档 3
2．6 功能结构图 4
三、微型汽车变速箱运动分析 5
3．1 测量微型汽车车轮直径 5
3．2 最高车速为120KM时变速箱的传动比 5
3．3 四档的传动比的分配 5
3．4 变速箱的最大和最小载状态 5
3．5 行驶速度分别为10、20、40、60km/h时应该使用档位的分析 6
四、微型汽车变速箱的外观功能分析 6
五、变速箱的拆装 8
六、微型汽车变速箱结构受力分析 10
6．1 受力最大的时候各轴的扭矩 10
6．2 各轴的最小直径 11
6．3 各个档位齿轮强度 11
七、微型汽车变速箱结构原理方案反求分析 13
7.1 微型汽车变速箱整体结构及布置方案 13
7.2 微型汽车变速箱具体结构及布置方案反求 13
7.2.2 减速器操纵机构的设计 13
7.2.3锁止装置 14
7.3 变速器操纵机构装配工艺流程反求分析 15
八 .微型汽车变速箱关键零部件反求分析 16
8.1 零件公差反求 16
8.2 零件材料、热处理反求分析 16
8.3 变速器主要零部件的结构、功能原理的反求分析 17
8.4 典型零件中间长轴的加工 17
结论 18
参考文献 18
摘要
本课程是通过对微型汽车变速器的分析，了解它的变速原理、各轴的布局、自锁与互锁原理、装配工艺过程、润滑方式、同步器的作用和工作原理以及组成、主要零件的热处理要求、形位公差、表面粗糙度等。通过分析、利用反求的方法创造出新的微型汽车变速器，具体内容有：其轴的布置，同步器的位置，差速器的位置;同步器的作用，组成，工作原理和变速器操纵机构的组成及变位档的自锁和互锁机构的结构原理和结构；通过拆装变速器了解并编写操纵的装配工艺过程，确定各零件的装配方法；通过观察变速箱的机构形状，分析其从提高刚度和刚性要求并满足功能要求和工艺要求而设计的结构；对变速箱各轴的结构形状、结构要素作用进行分析，并对其结构尺寸与轴的功能强度刚度装配关系等进行了反求；分析变速箱的主要零件材料及热处理要求、形位公差及箱体和轴的技术要求等。反求设计是创新的重要方法，所以我们通过本课程的学习，可以了解和基本掌握这种技术。反求设计就是从有到新，借助已有的产品、图样、音响等已存在的可感观的实物，创新出更先进、更完美的产品。
关键词：分析、反求设计、创新、原理

引言
当今世界科学技术发展日新月异，产品的科技含量越来越高，高新技术产品已进入家庭。世界进入知识经济的时代，只有科学技术才能兴国。由于一些发达国家在计算机技术、微电子技术、人工智能技术、材料科学技术、空间科学技术、制造工业技术、等领域处于领先地位，引进发达国家的先进技术为我所用，是发展本国经济的最佳途径。我国是一个发展中国家，科学技术相对落后，投入大量资金去研究发达国家已推向市场的产品或技术是完全没有必要的。这不仅浪费资金，也拖延发展经济的时间。而且涉及到发展经济的科学技术领域非常广泛，我国也缺少巨额资金去进行大面积的科学研究。因此，引进发达国家先进的科学技术或先进的产品，然后进行反求设计，仿照或创新设计更新的产品，是发展中国家发展国民经济的必由之路。特别是在知识经济的时代，反求工程在科技发展中的地位更为重要。因此，我们要学习这门课程，对微型汽车的变速器进行反求分析设计

一、 任务分析
本次课程设计的目的在于进一步加强学生应用所学的专业理论、知识以及专业技能，进行独立解决工程实际问题的能力。机械产品功能原理、机构课程设计的重点在于掌握典型机械的功能原理分析方法及分析机械机构的组成要素和机构功能，掌握结构设计要求及特点，丰富学生的机械结构设计知识，启发设计思维，通过实践是学生的机构设计理论得以巩固、加深，为今后进行机械产品设计打下良好基础。
二、微型汽车变速箱功能分析
2．1 微型汽车变速器的功能
变速器是改变汽车力矩和转速的机构，其主要功能有：
1.满足汽车起步、加速和爬坡行使时所需要的驱动力和转速。
2.保证汽车能实现不同的行驶速度，和倒车。
3.保证汽车在原地启动、怠速运转而不向驱动轮输出功率。
4.使汽车完成对其他机械输出动力。
2．2 微型汽车变速器的位置
变速器一般是和发动机固连在一起的，他的输出连接差速器。
2．3 功率的传递
发动机的曲轴输出功率到变速器输入轴上，通过变速器改变驱动力矩和转速再传递到差速器，受力不同的时候两个车轮所获得不同的速度，再通过差速器把动力通过半轴把动力传递到驱动车轮上。
2．4 变速和保证变速的顺利进行的实现
发动机的曲轴输出功率到变速器，，变速器的中间轴上有二个同步器，而每个同步器都与变速器输出轴连在一起，并且可以左右滑动。每个同步器共有左、中、右三个位置，中间不与任何齿轮同步，而左右都可以和齿轮同步，通过拨叉拨动来控制同步器的左右运动，与不同的齿轮同步，而四结齿轮处于常啮全状态，但可以相对于II轴转动，一旦与同步器同步就可带动II轴转动，从而通过拨叉控制同步器与不同的齿轮啮合，实现变速。而拨叉机构具有自锁与互锁功能，每次变速换档都会经过中间位置，即空档，这样就保证了变速的顺利进行。
2．5 各个档位的换档
变速器的换档操纵机构，其中变速器内部一共有三根控制换档杆，其中每一根杆都有左、中、右三个位置可供控制，可实现六个档位控制。换档是通过换档杆实现的，换档杆纵向有三个位置，旋转有两个位置，从而实现六个位置的控制。但是任何档位之间要切换时都必须先回到中间位置，即空档位置。而且每个档位之间都具有自锁和互锁功能，从而实现不跳档和脱档的现象。变速箱的控制操纵方式如下图：
倒档
3档
1档
2档
4档
空档

2．6 功能结构图
汽车变速箱系统黑箱图
转矩、转速
不同的转矩、转速
档位
噪音、热

主轴

机

构
操纵机构
转动
操作
噪音
热
I档转速
II档转速
III档转速
IV档转速
倒档
转速

三、微型汽车变速箱运动分析
3．1 测量微型汽车车轮直径
经测量微型汽车的车轮直径为D=450mm
3．2 最高车速为120KM时变速箱的传动比

由车轮的线速度公式可以求出总的传动比，则有：

3．3 四档的传动比的分配
首先应该保证汽车在全部载重后能够平稳的起步，然后是汽车在高速行驶的时候能够达到需要的最高速度。发动机的功率一定、转速一定的情况下只有通过减速器的减速作用来实现汽车的平稳行驶，根据资料查的各个档位的传动比分配如下表：

一档
二档
三档
四档
3.585
2.166
1.33
0.9
3．4 变速箱的最大和最小载状态
微型汽车的额定功率时一定的，则有：

根据上式可知，当发动机的额定功率达到最大且变速箱的档位最低，即速度最低时，该轴受到的载荷是最大的；同样当发动机的功率达到了额定功率，变速箱档位最大，即速度最高时，该轴的载荷就是最小。根据传动比可以分析出变速箱中受载荷最大的时候再是汽车处于一档的时候的差速器从动轴上；变速箱中受载荷最小的轴是汽车处于四档的时候中间轴上。
3．5 行驶速度分别为10、20、40、60km/h时应该使用档位的分析
变速箱主减速器的传动比为i：

根据速度计算公式可以计算出在额定功率下各个档位所能够达到的最大速度。则有：

再通过最大速度与所要求的速度进行比较，由于汽车的第四档稳定速。以汽车在行驶的过程中能够省油为标准选取合适的档位行使，则最后选定：
10km/h用1档，20km/h用2档，40km/h用3档，60km/s用4档。
四、微型汽车变速箱的外观功能分析

1是离合器的分离轴承，它的作用是连接和断开发动机与变速箱之间运动和动务，是整个汽车启动、停止、倒车变速换档的关键。

2 是发动机启动电机的安装孔，这个孔是变速箱上一个很关键的孔。由于启动电机是通过齿轮啮合启动发动机，这就要求这个孔端面与发动机曲轴的垂直度要求高，同时孔的中心与发动机曲轴之间距离的精度要其很高。孔的大小由启动电机的形状所决定。
3 是上端盖的起盖机构，这个结构没有什么特别要求,只是要求能够方便的把上端盖起开即可。
4 是汽车行驶速度的一个测试装置。
5 是一根通气管，变速箱本身是密闭空间，齿轮在里面高速旋转的时候会发热升温，体积会膨胀，如果不排气减压，会破坏变速箱的密封性能。
6 是油标，同时也是加油口。
7 是离合器的分离操纵手柄。要求能够进行调整能够很方便的进行离合器的分离，使换档顺利进行。
8 观测和调整发动机点火时间的孔，这个孔没有什么特别的要求，要求能够看得见连接在发动机曲轴上的那个大齿轮，并且能够方便的对其进行调整。使发动机在修理过后能够顺利点火。

五、变速箱的拆装

1)拆下离合器的分离轴承，用手直接拆下。
2)用钳子拆下离合器摆杆回位弹簧，使摆杆处于自由状态。
3)用十字螺丝刀将变速箱输入轴前端盖十字沉头螺钉拆下（4颗）并拆下端盖。并记录型号M6x15。(如图)

注：先用十字螺丝刀预松1号2号螺钉，再预松3号4号螺钉，后在分别松开1、2和3、4螺钉。最后用已取下的螺钉2颗分别插入a，b两处用作起盖螺钉，两处应缓慢、均匀受力，使端盖受力均匀，以不致端盖在起盖过程中受损变形。
变速箱盖拆卸

注：先用十字螺丝刀预松1号2号螺钉，再预松3号4号螺钉，后在分别松开1、2和3、4螺钉。最后用已取下的螺钉2颗分别插入a，b两处用作起盖螺钉，两处应缓慢、均匀受力，使端盖受力均匀，以不致端盖在起盖过程中受损变形。
变速箱盖拆卸

由于变速箱具有良好的密封性，所以拆卸的时候一定要均匀合理卸力，保证机盖不变形而影响密封性能。
首先，按照顺序对连接螺钉进行预松,标准为将螺杆旋转半圈，预松顺序为：

注：无#号的用梅花扳手预松，有符号的用套筒预松
其次，完全松开螺钉，其顺序为：

注：除了16号螺钉要用到小零件拾取器外，其余在完全松开的情况下可以直接取下。
然后，将取下来的螺钉都做好记录
所有的螺钉除了17号是M6的螺钉外，其他的都是M8螺钉，则统一只记录螺钉的长度。

最后，取下变速器上盖
在变速器上下端盖连接的地方有三个地方要突出一点。在此处同时用一字螺丝刀用力撬，则可以把上端盖松掉，现在就可以取下上端盖。

六、微型汽车变速箱结构受力分析
6．1 受力最大的时候各轴的扭矩
发动机输出扭矩最大是60.5N，由于发动机直接输出到变速器的输入轴，所以变速器的输入轴受到的最大扭矩，则有：

根据公式可以计算出中间轴的最大扭矩，中间轴的转速是第一根轴的传动比转换过来的，则有：

同样可以求出差速器所受到的最大扭矩为，则有：

6．2 各轴的最小直径
根据公式，可以计算出在最大扭矩的前提下轴的功率p,
也就是说在发动机输出最大扭矩的时候发动机没有达到额定功率，那么可以计算发动机在额定转速下的扭矩,则有：

远比最大扭矩小，这样在最大扭矩下求得轴的最小直径就是该轴的最小直径，则有各个轴的最小直径为：

6．3 各个档位齿轮强度
变速箱各档齿轮材料为:合金钢(20CrMnTi)。材料强度极限为：。取7级精度。齿轮的弯邮疲劳强度为：

齿轮的接触疲劳强度为：

各齿轮参数如下表：

I档
II档
III档
IV档
齿数Z
43
39
32
27
螺旋角
23．93
33．18
法面模数
2
1．75
齿宽b
12
12
12
11
重合度
1.58
1.48
1.48
1.5
K
2.975

2．4
2．41
2．5
2．57

1.676
1.665
1.635
1.60

0.80
0.72
0.72
0.72

3134
2947
2418
2040
传动比
3.585
2.166
1.33
0.9

2．33
2．18

189．8

94．1
81．5
66．9
56．5
所以，各档齿轮的弯曲疲劳强度为：

齿面接触疲劳强度为：

可见，齿轮的强度满足要求。
七、 微型汽车变速箱结构原理方案反求分析
7.1微型汽车变速箱整体结构及布置方案反求

变速箱在汽车中的位置：一般安装于发动机和驱动桥之前。
三轴式变速器的结构方案：第一轴与齿轮做成一体，其前端轴承支承在发动机内腔的轴承上，轴颈根据其与壳体之间轴承内径而定，长度根据离合器总成轴向尺寸来定。轴与壳体之间轴承的外径最好大于第一轴常啮合齿轮的外径，以便于装拆第一轴。
第二轴前端通过轴承安装在第一轴的常啮合齿轮内腔，其轴径受齿轮径向尺寸限制。安装同步器齿毂的花键多采用渐开线花键，其定位性能好，承载能力大，花键齿短，其小径相应增大，可一提高轴的刚度。此轴上各档齿轮与轴之间有相对旋转运动，因此，轴的表面加工精度要求很高。一般情况下，轴上开螺旋油槽，以保证充分润滑。第二轴制成阶梯轴，便于安装齿轮。从受力和合理利用材料来看，这也是需要的。各截面尺寸要避免相差悬殊。轴上供磨削用的砂轮越程槽产生应力集中，易造成轴的折断。轻型汽车变速器各档齿轮常用弹性挡圈轴向定位，简单，但拆装不方便。
7.2微型汽车变速箱具体结构及布置方案反求
7.2.1步器工作过程与原理：
当离合器接合时，发动机转矩作用在变速器输入轴（第一轴）上，第一轴伸入变速器箱内，由一大型球轴承支承并有一个与第一轴一体的齿轮。输出轴（第二轴）轴前端插入第一轴轴端孔中，但可独立旋转。第二轴由第一轴端孔中轴承和变速箱后部一轴承支承。各种速度的齿轮在第二轴上旋转，第一轴和第二轴组件的下部或侧面固定一中间轴，其上装有几种尺寸的齿轮，这些齿轮除了一个齿轮外，均与第二轴上齿轮保持常啮合，还有一个齿轮与第一齿轮保持常啮合。
当驾驶员选定一齿轮，该齿轮被锁定或连与第二轴，则出现齿轮换档。这是通过一个将齿轮与轴相连的接合套的运动来实现的，仅当齿轮和轴以同速旋转时，换档才可能很平稳无噪音，这就是同步器的主要功能。
滑块式同步器由花键毂，接合套，锁环（同步环）和滑块或弹簧-钢球定位装置而组成。

滑块式惯性同步器工作原理：当接合套刚从二档退到空挡时，齿轮和接合套都在其本身及所联系的一系列运动件的惯性作用下，继续沿原方向旋转，此时，锁环在轴向是自由的，故其内锥面与齿轮外齿锥面并不接触，其锁止作用是齿轮的惯性力矩造成的。
7.2.2 锁止装置
(1)互锁装置：

图九
互锁装置是保证移动某一变速拨叉轴时，其他变速拨叉轴被锁住。
互锁装置的结构主要有以下几种：1.互锁销式2.摆动锁块式3.转动钳口式4.三向锁销式
(2)自锁装置：

图十
自锁装置的作用是防止因汽车振动或有小的轴向力作用而导致脱档，保证啮合齿轮在全齿长上进行啮合，并使驾驶员有换入档位的感觉。自锁作用通常是由刚球和弹簧组成的自锁装置来保证的，自锁装置可以装在变速器盖内，也可以装在变速叉内。
(3)倒档锁：在汽车行驶过程中，为了防止误挂倒档而造成安全事故和损坏传动系，在操纵机构中而设置的。
7．3装配工艺流程反求分析
变速器操纵机构总成的装配：
拆装之前，首先要分析整个变速箱的结构形式，各个部件的装配要求，拆装步骤，怎样保证不变形，不改变其原有密封效果，要注意到使箱体，箱盖的变形最小，所以应该先拆俩边，再拆中间，拆的同时记录下每个零件的名称，拆装顺序，每个零件的位置，包括安装方向，角度以及遇到的问题。这里我们主要研究同步器的装配工艺。
工具箱中工具名称及规格如下：
游标卡尺
平口钳，普通扳手
六角扳手（四个）
小零件拾取器（利用磁性吸力）
1m卷尺
改刀头组（10个一组）
双头扳手：规格17，14，12，10,8

图十一

拆装步骤如下：
1. 用人手定位夹紧变速器客体，然后用规格为8的双头扳手和活动套筒扳手配合，拧下上面的2个螺钉。
2.用手取出弹簧和钢珠。
3．用手取下移动行星齿轮的拨叉。
4.用平口钳取下个轴的销钉。
5.用手取下换档长杆和长轴叉 。
6.然后依次取下三根光滑的轴和一、二档拨叉，三、四档拨叉，1杆拨叉，与行星齿轮相关的力臂。
7.取下长销轴，弹簧，摇摆。
8. 其装配过程反之进行。
八、汽车变速箱关键零部件反求分析
8.1零件公差反求分析
实测尺寸不等于原设计尺寸，需要从实测尺寸推论出原设计尺寸。假设所测的零件尺寸均为合格，实测值一定是图样上规定的公差范围内一数值，即
实测值　=　基本尺寸± 制造误差± 测量误差
采用基孔制：孔的实测值 - 基本尺寸 ≤1/2 孔公差（ITII级）
采用基轴制：基本尺寸 - 轴的实测值 ≤1/2 轴公差（ITII级
8.2件材料、热处理反求分析
机械零件的材料选择与热处理方法直接影响到零件的强度，刚度，周，寿命，可靠性等指标，材料的选择是机械设计中的重要问题。
材料的成分分析：对材料的整体，局部，表面进行定性分析或定量分析时，可通过以下手段：火花鉴别法，音质判别法，原子发射光谱分析法，化学成分分析法，微探针分析法。
材料的组织结构分析：可以用放大镜观察材料的晶体大小，淬火硬层的分布，缩孔的缺陷等情况。通过对材料的分析，结合我国国产材料的具体性能，选择合适的代用品。
8.3零件结构、功能原理的反求分析
（1） 变速器轴的反求 ：变速器轴在工作时承受转矩和弯矩，因此应具备足够的强度和刚度。轴的刚度不足，会产生过大的变形，影响齿轮的正常啮合，产生过大的噪音，并会降低齿轮的使用寿命。轴的长度对刚度影响很大。轴的刚度比强度更重要。对齿轮工作影响最大的是轴在垂直面内产生挠度和轴在水平面内的转角，前者使齿轮中心距发生变化，并破坏了齿轮的正常啮合。
（2） 同步器参数的反求 ：摩擦系数随摩擦副材料，工作表面粗糙度，润滑油种类和温度等因素的不同而改变。摩擦系数大，则换档省力或缩短同步时间，反之，甚至会失去同步作用。因此保持较大的摩擦系数对同步器工作有利。为此在同步环的锥面上制有破坏油膜的细牙螺纹槽及与螺纹槽垂直的泄油槽。
同步环有锻造和铸造俩种型式，前者多用于微型汽车。选用材料时既要考虑摩擦系数，又要考虑耐磨性。有时将同一变速器的全部同步器设计成一样的尺寸，在这种情况下，要求高档同步器不能承载太少，允许低档同步器的应力取高些，这样可减少同步器的质量和尺寸。
8.4件中间长轴的加工
（1）该零件选用45#碳素钢，毛坯选用行材。加工工艺如下：

工序号
工序名称
车床名称
刀具名称
1
车端面1
CA6140普通车床
端面车刀
2
车端面2
CA6140普通车床
端面车刀
3
钻一端面孔定位
普通钻床
麻花钻
4
粗车外圆
CA6140普通车床
外圆车刀
5
半精车外圆
CA6140普通车床
外圆车刀
6
精车外圆
CA6140普通车床
外圆车刀
7
钻销孔1
普通钻床
麻花钻3MM
8
钻销孔2
普通钻床
麻花钻3MM
9
渗碳淬火
热处理设备

10
精磨
外圆磨床
盘形磨刀

结 论
通过本次课程设计我们了解了微型汽车变速器的基本结构、变速原理、各轴的布局、同步器和差数器的位置、同步器和差数器的工作原理、变速操纵机构的组成，拨叉结构形状及变速档位的自锁与互锁原理、变速器的装配工艺过程、各运动副的润滑方式、变速器箱体的结构设计、刚度和强度的设计、主要零件的材料热处理要求、形位公差、表面粗糙度、以及密封方法。而且通过三维实体建模和装配，使我们熟练掌握了SOLIDWORKS三维软件的应用以及在它基础上创新设计。本次课程学习让我们知道产品开发设计是一项认真、严肃的事情，决不能有半点马虎，零件尺寸的测量要准确，计算公式要正确选用，计算要正确。产品的开发是集体的智慧的结晶，要团结合作才能创造出更好的产品，为振兴我国经济、科学技术努力！
本次课程设计的完成是大家的努力和智慧的结晶，尤其是同学和指导教师的热情帮助，软件的使用、工程图的绘制、变速器功能原理介绍等环节都离不开老师的帮助，因此我忠心的感谢各位老师的热情帮助，谢谢你们！
【参考文献】
［1］黄靖远.机械设计学[M].北京：机械工业出版社.2005
［2］黄纯颖.机械创新设计[M]北京：清华大学出版社.1992
[3]朱龙根.机械系统设计[M]北京：机械工业出版社.2002
[4]纪名刚与濮良贵.机械设计[M]西北工业大学机械原理及机械零件教研室:高等教育出版社
[5] [美]Solidworks公司.生物实维公司编译.《Solidworks基本零件建模》.机械工业出版社.2005
[6]邓志平.机械制造技术基础.西南交通大学出版社.2004

- 18 -